Научная статья на тему 'Термодинамический анализ эффективности систем топливообеспечения предприятий переработки углеводородного сырья'

Термодинамический анализ эффективности систем топливообеспечения предприятий переработки углеводородного сырья Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
196
28
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
НЕФТЕГАЗОВЫЙ КОМПЛЕКС / ПРЕДПРИЯТИЯ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ / ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ / ЭКСЕРГИЯ / ТОПЛИВНАЯ СИСТЕМА

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Кульбякина А.В., Озеров Н.А., Батраков П.А.

Предприятия переработки углеводородного сырья (ПП УВС) являются ключевым звеном топливно-энергетического комплекса РФ, в то же время они характеризуются повышенной энергоемкостью производства и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Необходимость внедрения энергои ресурсосберегающих технологий на предприятиях отрасли декларируется на государственном уровне и является сложной научной задачей. Высокий потенциал повышения энергоэффективности ПП УВС сосредоточен в модернизации топливных систем. В статье проведен анализ топливной системы, установлены ее взаимосвязи с технологической системой объекта, его энергетическим комплексом и внешними системами энергообеспечения. Проведен анализ структуры энергопотребления основных производств ПП УВС по всем видам топлива. Установлено, что преимущественно в качестве топлива используется углеводородное топливо собственной выработки нефтезаводские газы, мазут. Выявлено, что топливный газ собственной выработки имеет переменный компонентный состав. Проведен термодинамический анализ эффективности использования топлива на ПП УВС, целью которого служило определение абсолютного и удельного потребления эксергии топлива и выделены наиболее перспективные направления повышения эффективности топливных систем ПП УВС. На основании проведенных исследований разработана блочная схема собственного источника энергообеспечения, комбинированного с системой утилизацией горючих вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Проведено технико-экономическое обоснование целесообразности применения предложенной схемы.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Кульбякина А.В., Озеров Н.А., Батраков П.А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Термодинамический анализ эффективности систем топливообеспечения предприятий переработки углеводородного сырья»

римы с габаритами термопары (например, в ДМД); фиксация термопарой действительной температуры газа лишь на стационарном режиме; ошибки в работе многоканального измерителя температур при электромагнитных возмущениях (применительно к электродуговому двигателю); техническая невозможность осуществления тепловизионной съёмки в вакуумной камере.

В работе представлена методика определения температуры газа, основанная на методе падения его расхода при подводе теплоты. Был изготовлен экспериментальный стенд, проведены тепловые испытания, которые подтвердили теоретические выкладки.

Источник финансирования. Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации, Конкурс СП-2018, СП-923.2018.1.

Список литературы

1. Репик Е. У., Соседко Ю. П. Методы и средства измерения температуры торможения газового потока в сложных условиях течения // Ученые записки ЦАГИ. 2008. Т. XXXIX, № 4. С. 60-71.

2. Вавилов И. С., Лукьянчик А. И., Ячменев П. С., Павленко А. В., Лысаков А. В., Литау Р. Н. Дилатометрический микродвигатель наноспутника: оценка характеристик // Проблемы машиноведения: материалы II Междунар. научн-технич. конф. Омск: ОмГТУ, 2018. С. 254-262.

3. Иванова Г. М., Кузнецов Н. Д., Чистяков В. С. Теплотехнические измерения и приборы: учебник для вузов. М.: МЭИ, 2005. 460 с.

4. Абрамович Г. Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1991. Т. 1. 600 с.

5. Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика. М.: Наука. 1976. 480 с.

6. Адельсон С. В. Процессы и аппараты нефтепереработки и нефтехимии. М.: Государственное научно-техническое издательство нефтяной и горно-топливной литературы. 1963. 311 с.

7. Сивухин Д. В. Общий курс физики. М.: ФИЗМАТЛИТ/МФТИ, 2005. Т. 2. 551 с.

УДК 658.26:620.92.001.57

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ТОПЛИВООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ПЕРЕРАБОТКИ УГЛЕВОДОРОДНОГО СЫРЬЯ

THERMODYNAMIC ANALYSIS OF FUEL SYSTEMS OF HYDROCARBON PROCESSING ENTERPRISES

А. В. Кульбякина1, Н. А. Озеров1 , П. А. Батраков2

'Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

А. V. Kulbyakina1, N. А. Ozerov1, P. А. Batrakov2

' Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. Предприятия переработки углеводородного сырья (ПП УВС) являются ключевым звеном топливно-энергетического комплекса РФ, в то же время они характеризуются повышенной энергоемкостью производства и оказывают негативное воздействие на окружающую среду. Необходимость внедрения энерго и ресурсосберегающих технологий на предприятиях отрасли декларируется на государственном уровне и является сложной научной задачей. Высокий потенциал повышения энергоэффективности ПП УВС сосредоточен в модернизации топливных систем. В статье проведен анализ топливной системы, установлены ее взаимосвязи с технологической системой объекта, его энергетическим комплексом и внешними системами энергообеспечения. Проведен анализ структуры энергопотребления основных производств ПП УВС по всем видам топлива. Установлено, что преимущественно в качестве топлива используется углеводородное топливо собственной выработки - нефтезаводские газы, мазут. Выявлено, что топливный газ собственной выработки имеет переменный компонентный состав. Проведен термодинамический анализ эффективности использования топлива на ПП УВС, целью которого

служило определение абсолютного и удельного потребления эксергии топлива и выделены наиболее перспективные направления повышения эффективности топливных систем ПП УВС. На основании проведенных исследований разработана блочная схема собственного источника энергообеспечения, комбинированного с системой утилизацией горючих вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Проведено технико-экономическое обоснование целесообразности применения предложенной схемы.

Ключевые слова: нефтегазовый комплекс, предприятия переработки углеводородного сырья, термодинамический анализ, эксергия, топливная система.

Б01: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-142-150

I. Введение

Объекты НГК - добывающие, транспортирующие, перерабатывающие углеводородное сырье (УВС) - стратегический сектор экономики РФ, за счет которого в значительной степени формируется федеральный бюджет (43% в 2015 г.), кроме этого, они представляют собой основу всего топливно-энергетического комплекса (ТЭК) страны. Годовой баланс энергоресурсов (ЭР), приведенный в табл. 1, демонстрирует, что большая часть экспорта и внутреннего потребления приходится именно на УВС - нефть, газовый конденсат, природный газ и продукты их переработки [1]. Необходимость повышения энергетической эффективности российского промышленного сектора, в том числе предприятий нефтегазового комплекса (НГК), декларируется на государственном уровне [2, 3].

Объекты НГК отличаются повышенной энергоемкостью продукции, которая в среднем в 2-3 раза превышает мировые показатели и делает отечественную товарную продукцию практически неконкурентоспособной на мировом рынке [4]. В настоящее время идет бурное развитие и модернизация отрасли, однако доля физически и морально устаревшего основного и вспомогательного оборудования остается на высоком уровне. Кроме того, необходимо отметить, что не решены вопросы энерго- и ресурсосбережения, снижения негативного воздействия на окружающую среду, комплексной утилизации ВЭР и производственных отходов [5].

ТАБЛИЦА 1 ГОДОВОЙ БАЛАНС ЭНЕРГОРЕСУРСОВ РФ [3]

Ресурсы, млн. т у.т.

Природное топливо Продукты переработки УВС Горючие побочные ЭР Электроэнергия Тепловая энергия

Нефть, газовый конденсат Газ природный Уголь

Добыча (производство) 752,4 741,8 251,9 454,1 13,7 366,6 188,9

Экспорт 320,4 201,1 116,7 212,8 - 2,8 -

Потребление на преобразование в другие виды топлива 0,9 301,2 81,3 11,7 7,4 1,1 -

На переработку в другие виды топлива 373,1 10,3 28,2 7,6 - - -

На производство нетопливной продукции 44,4 37,4 0,2 24,1 - - -

В качестве материала на нетопливные нужды 0,2 12,5 0,1 13,1 0,01 - -

На конечное потребление 0,4 173,2 14,9 186,0 6,3 329,0 172,5

Потери на стадии потребления и транспортировки 8,5 7,6 - - - 36,7 16,4

Нефтеперерабатывающая отрасль является важнейшим звеном НГК, определяющим эффективность использования УВС, также характеризуется свойственными всему комплексу проблемами, несмотря на существующий потенциал повышения эффективности. Например, топливные системы ПП УВС, что обусловлено значительным количеством горючих ВЭР, которые не используются в настоящее время, а также возможностью вовлечения в энерготехнологический баланс производственных нефтесодержащих стоков и низкопотенциальных углеводородных газов. Синтез рациональной топливной системы ПП УВС с оптимизацией режимов ее функционирования во взаимосвязи с энергетическим комплексом (ЭК) объекта, его технологической системой (ТС) и

внешними источниками обеспечения топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР) является перспективным направлением повышения эффективности использования топлива, снижения энергоемкости производства и доли энергетических затрат в конечной стоимости продукции. В качестве эффективного метода анализа действительного положения ПП УВС с дальнейшей разработкой методики синтеза оптимальных схем топливных систем объекта, может быть использован эксергетический метод термодинамического анализа, в ходе которого устанавливается эффективность использования ТЭР основными системами, производствами, установками; оценивается потенциал использования ВЭР, производственных отходов (стоков и газовых выбросов); определяются источники наибольших энергетических потерь и пути их устранения. Применение данного метода позволит дать объективную оценку эффективности функционирования топливной системы ПП УВС, разработать научно обоснованные мероприятия, направленные на повышение энерго- и ресурсоэффективности объекта, снижение общего топливопотребления, сокращение негативного воздействия на окружающую среду.

II. Постановка задачи

Оптимизация структуры и режимов функционирования топливной системы ПП УВС представляет собой сложную научно-техническую задачу, решение которой возможно только при системном подходе [6], одним из значимых этапов которого является термодинамический анализ объекта.

Эксергетический метод широко применяется для анализа различных объектов промышленности и энергетики, энергетического и тепло-технологического оборудования. Однако для таких сложных и многофункциональных систем, как ПП УВС его применение ограничивается рядом факторов. В первую очередь, это специфичность предприятий подобного профиля, не позволяющая разработать универсальную методику эксергетическо-го анализа. Во-вторых, чрезвычайно сложным и не изученным остается учет степени влияния переменных во времени внутренних и внешних факторов, таких как состав перерабатываемого сырья, технологические режимы установок, эколого-климатические и другие. Принимая во внимания эти особенности, разработка научных основ и универсальной методики для проведения эксергетического анализа ПП УВС является актуальным и перспективным научным направлением.

Выполненный с учетом специфики объекта исследования эксергетический анализ с элементами системного и технико-экономического подходов позволит определить наиболее перспективные направления повышения энергоэффективности объекта, оптимальные схемы топливной системы ПП УВС и предложить научно обоснованные технические решение.

III. Теория

1. Структура потребления топлива ПП УВС

Топливная система ПП УВС обладает сложной и многофункциональной структурой, основной задачей которой служит обеспечение надежной и бесперебойной подачи топлива потребителям, взаимодействующей со всеми основными технологическими производствами и их элементами посредствам непрерывных процессов генерации и потребления топлива (рис. 1).

Рис. 1. Схема взаимосвязей топливной системы ПП УВС с подсистемами ЭК и внешним источником обеспечения ТЭР

В качестве топлива на предприятия ПП УВС, как правило, используется углеводородное жидкое и газообразное топливо собственной выработки или полученное от внешних систем энергообеспечения. Для газоперерабатывающих предприятий (ГПП) характерно преимущественное использование природного газа из сети товарной продукции и частично (для передовых предприятий) некондиционных газовых смесей переменного состава. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) отличаются более сложной структурой потребления топлива, в состав которого входят газообразное топливо, жидкое топливо, твердое топливо (табл. 3). К собственным топливным ресурсам относятся нефтезаводские газы, мазут, кокс (топливо конверсии). Основными источниками собственного газа являются установки первичной переработки нефти (газ углеводородный С2-С4 0,23% на нефть, газ сжиженный С2-С4 1,13% на нефть), каталитического риформинга, газофракционирующие установки (ГФУ), а также установки термического крекинга и каталитического крекинга. Мазут вырабатывается в установках первичной переработки и каталитического крекинга. Матричная модель (табл. 2) достаточно полно отражает взаимосвязь топливных потоков и технологических производств ПП УВС.

ТАБЛИЦА2

МАТРИЧНАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОСВЯЗИ ТОПЛИВНЫХ ПОТОКОВ И ПРОИЗВОДСТВ ПП УВС

Технологические производства Топливные потоки

Газ (товарный) Газ собственной выработки Мазут Кокс

Первичная переработка 1 1/2 1/2 3

Термический крекинг 1 1/2 1/2 3

Каталитический крекинг 1 1/2 1 1/2

Каталитический риформинг 1 1/2 1 3

Гидроочистка 3 1 1 3

Изомеризация 1 1 3 3

Легкий гидрокрекинг 1 1 1 3

Производство серной кислоты 3 1 3 3

Факельное хозяйство 3 1 3 3

ГФУ 3 2 3 3

1 - потребление; 2 - генерация; 3 - не используется

Примерная структура потребления различных видов топлива на отечественных предприятиях нефтепереработки на основании нормативных показателей энергопотребления установок приведено в табл. 3.

ТАБЛИЦА 3

ГОДОВОЕ ПОТРЕБЛЕНИЕ ТОПЛИВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОИЗВОДСТВАМИ НПЗ

Технологические производства Потребление топлива, %

Нефтезаводской газ Природный газ Жидкое топливо Кокс

Первичная переработка 69,69 14,88 15,43 -

Термический крекинг 75,11 7,08 17,81 -

Каталитический крекинг 35,62 6,33 23,75 34,30

Каталитический риформинг 80,81 5,48 13,71 -

Изомеризация 87,50 12,50 - -

Гидроочистка 98,75 0,21 1,04 -

Легкий гидрокрекинг 99,34 - 0,66 -

Производство серной кислоты 100,00 - - -

Факельное хозяйство 100,00 - - -

На основании анализа приведенных данных можно сделать вывод, что преимущественно потребляется топливо собственной выработки, оставшаяся часть компенсируется природным газом, от стороннего источника. Однако, несмотря на относительно небольшую долю закупаемого природного газа в общем топливопотребле-нии, этот показатель играет важную роль в топливном балансе предприятия. Природный газ закачивается в топливную сеть для поддержания требуемого давления, кроме того, его потребление значительно возрастает в период пусков и плановых ремонтов установок, за счет снижения выработки собственного топлива. Необходимо отметить, что в последнее время существует тенденция увеличения доли природного газа (товарного для ГПЗ) в общем топливопотреблении, с несовершенством технологического процесса и одновременным устареванием основного и вспомогательного оборудования.

При использовании нефтезаводских газов в качестве основного топлива на 1111 УВС для поддержания заданных технологических параметров необходимо учитывать, что они характеризуются неравномерной выработкой и переменным составом, динамично меняющимся в зависимости от состава перерабатываемого сырья, технологических режимов установок, климатических условий. Усредненный состав газа, используемого как топливо на основных технологических установках, приведен в табл. 4.

ТАБЛИЦА4

УСРЕДНЕННЫЙ ГОДОВОЙ СОСТАВ ТОПЛИВНОГО ГАЗА ОСНОВНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОИЗВОДСТВ ПП УВС

Технологические производства Состав газа, % об.

CH4 C2H6 С3Н8 + н-С4Ню и-С4Ню C5H12+ С6+ H2 H2S

Первичная переработка 18,7 8,2 13,9 2,4 2,1 0,9 0,0 53,5 0,3

Термический крекинг 25,0 9,7 25,5 6,1 4,4 1,3 0,0 27,3 0,7

Каталитический крекинг 18,7 11,2 11,0 3,1 1,5 1,0 0,0 53,4 0,1

Каталитический риформинг 12,5 14,9 19,1 4,3 3,8 1,2 0,0 43,7 0,5

Изомеризация 13,5 8,3 17,1 4,0 3,2 0,9 0,0 52,7 0,3

Гидроочистка 19,1 16,8 10,4 1,9 2,4 2,8 0,0 46,5 0,1

Легкий гидрокрекинг 16,7 26,8 21,4 4,6 4,5 1,7 0,0 24,3 0,0

Производство серной кислоты 8,2 10,3 30,0 8,1 6,2 1,4 0,0 35,1 0,7

Переменный характер состава топливного газа, приводит к необходимости оперативного регулирования режимов работы топливопотребляющего оборудования - печей, испарителей, энергетического оборудования и др., отсутствие которого вызовет превышение удельных показателей потребления топлива (по сравнению с нормативными), нарушение технологического режима, выход из строя оборудования.

Результаты проведенного совместного анализа данных табл.1-4 позволяют утверждать, что для создания научных основ и методики оптимизации структуры топливной системы ПП УВС , режимов ее функционирования необходимо применение эксергетического анализа.

2. Термодинамический анализ топливной системы ПП УВС

Термодинамические показатели эффективности ПП УВС обобщены в виде эксергетического КПД (ц ), определяемого для различных элементов ТС и ЭК объекта как сумма эксергий на выходе (У ехвш ) и входе (^ ехвх ), а также сумма потерь в системе (УехП = У Б) [7]:

У -vex = У ехВЬж1У =1 - у (1)

У еХВХ

Уехп = У D = У ex„ -У ex^ > 0. (2)

В элементах ПП УВС, как правило, осуществляются процессы с подводом и отводом электрической (механической) энергии (Э), теплоты (Q) и энергии технологического потока (J). Практически все технологические потоки ПП УВС содержат горючие компоненты в своем составе. Эксергия потока вещества в общем виде представляется суммой:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

ex = ex _ + ex + ex + ех (3)

J ПОТ КИНЕТ ФИЗ ХИМ ' (3)

где exncrr, exwxT - эксергия потенциальной и кинетической энергии вещества, соответственно (которые в рамках поставленных задач не учитываются);

ex. , ex - физическая и химическая эксергия, соответственно

физ ~ хим т ± у

Физическая эксергия определяется как:

ex4u3 = H - Ho - To ■ (S - So) , (4)

где H, H - энтальпия системы и окружающей среды соответственно, T - температура окружающей среды; s, s - удельная энтальпия системы и окружающей среды соответственно.

ex„

Химическую эксергию в случае ПП УВС справедливо рассматривать как эксергию топлива. Методики определения концентрационной и реакционной эксергии в этом случае не могут быть применены, и для расчета эксергии топлив используют специально разработанные методики [8], основанные на использовании теплотворной способности топлива с учетом его влагосодержания, что справедливо, поскольку эксергия и теплота сгорания топлив являются величинами мало отличающимися друг от друга:

ех = 0,975 • ОВ (5)

хим.ж ' ^р 4 /

ех = 0,95 • ОВ (6)

хим.г ' ^р 4 /

ех = ОВ • (1 - ), (7)

хим.т ^р 4 Т ^ ' ^ '

где еххт , ех еххт - химическая эксергия жидкого, газообразного и твердого топлива соответственно.

Поскольку значение эксергии топлива в большинстве случаев отличается от низшей рабочей теплоты сгорания ОН на 2-3 % [9], можно сделать следующее допущение:

= QH (8)

Потери эксергии ^ О делятся на две группы:

- внутренние О, связанные с необратимостью процессов, протекающих внутри элемента или системы;

- внешние О , связанные с условиями взаимодействия элементов и систем ПП УВС с окружающей средой

и внешними источниками и приемниками энергии и рабочего вещества (при химических превращениях).

Эксергетический баланс ПП УВС с потреблением тепловой, электрической энергией и частично топливной компоненты от внешних источников имеет вид:

е^ + ехв + ехь + ехР + ехш = ехЕ + ехс + ехв + ^ О , (9)

где ех3, ехв, ех1, ехг, ехш, ехЕ, ехс, ехв - эксергия сырья, тепловой и электрической энергии, топлива, воды, продукции, стоков, отходов;

^ О - потери эксергии материальных и энергетических потоков. Для топливной системы эксергетический баланс выражается уравнением

+ Z D (10)

D - эксергия технологических потоков на входе и выходе, топлива собственной выработки (нефтезаводске газы, мазут, кокс), топлива внешнего, горючих отходов ТС, топлива на выработку тепловой и электрической энергии, отходов (в том числе не используемых производственных стоков, содержащих горючие компоненты, низкопотенциальных газов); ^D - потери эксергии в

процессах потребления газа.

Оптимизация топливной системы ПП УВС по критерию термодинамических потерь заключается в минимизации суммы (exc + exD + ^ D) ^ min . Важно отметить, что оптимальный вариант соответствует не только

минимуму потерь exD + ^ D и отходов exc , но и минимальному потреблению ТЭР от сторонних источников, в том числе сокращению потребления топлива (собственной выработки и стороннего): (exe + exl + ex¥ + ^ D) ^ min, максимальному использованию эксергии горючих отходов технологических производств ПП УВС.

В ходе термодинамического анализа топливной системы ПП УВС была рассчитана эксергия потребляемого топлива (1)-(5) для всех основных производств объекта. В процентном соотношении абсолютное и удельное потребление эксергии топлива технологическими производствами ПП УВС даны в табл. 5.

ТАБЛИЦА 5

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭКСЕРГИИ ТОПЛИВА НА ПП УВС

Технологические производства Абсолютное потребление эксергии топлива, % Удельное потребление эксергии топлива, %

Первичная переработка 36,4 5,7

Термический крекинг 13,2 11,6

Каталитический крекинг 6,8 11,0

Каталитический риформинг 19,5 20,9

Гидроочистка 12,4 1,7

Изомеризация 0,4 6,1

Производство серной кислоты 4,9 35,6

Легкий гидрокрекинг 4,5 7,3

Газофакельное хозяйство 1,8 -

Наибольшее абсолютное потребление эксергии топлива характерно для установок первичной переработки сырья, что связано с их большой производительностью и, следовательно, самыми высокими уровнем абсолютного потребления топлива. В свою очередь, наибольшими показателями удельного потребления эксергии топлива отличаются процессы вторичной (глубокой) переработки сырья и энергоемкое производство серной кислоты. Можно сделать вывод о неравномерности потребления эксергии топлива основными производствами ПП УВС и о значительном расхождении в показателях абсолютного и удельного потребления эксергии топлива. Из приведенных данных табл. 5 видно, что наибольшим потенциалом повышения эффективности топливной системы обладают установки первичной переработки нефти, производства серы, каталитического риформинга.

В результате проведенного термодинамического анализа установлено, что основные направления повышения энергетической эффективности топливной системы связаны с использованием потенциала технологических потоков, вовлечением в топливный баланс производственных горючих отходов, сокращением потребления ТЭР от сторонних источников и выработкой собственных энергетических ресурсов.

Примером позволяющим реализовать данные мероприятия может служить собственная система выработки ЭР на основе установки огневого обезвреживания горючих отходов и стоков в блоке термической утилизации (рис. 2).

Рис. 2. Схема собственного источника энергообеспечения интегрированного с ЭК и ТС предприятий НГК: ГТУ - газотурбинная установка; КУ - котел-утилизатор; ПТУ - паротурбинная установка; ТП - технологический потребитель тепловой энергии; ТО - сетевой теплообменник; ТФ - теплофикационный потребитель; ХВО - водоподготовка; БТУ - блок термической утилизации. 1 - топливный газ; 2 - воздух; 3 - высокотемпературные дымовые газы; 4 - электроэнергия; 5 - 7 - водяной пар (5 - в паровую турбину, 6 - из отбора паровой турбины на технологию, 7 - из отбора паровой турбины на сетевой подогреватель); 8, 9 - теплофикационная нагрузка и ГВС; 10 - водяной конденсат; 11 - химочищенная вода; 12 - вода в систему хозяйственно-бытового потребления; 13 - технологический поток; 14 -дымовые газы на осушку; 15 - производственные отходы (стоки и углеводородные газы); 16 - осушенные дымовые газы; 17 - сухие отходы.

Предлагаемый источник энергообеспечения на базе газотурбинных агрегатов интегрирован с процессами и установками ТС, системами водоснабжения, а блок термической утилизации позволяет обезвреживать содержащиеся на объектах НГК отходы, такие как углеводородные газы, нефтесодержащие промышленные стоки и пр. Комбинированная выработка электрической и тепловой энергии происходит в парогазовой установке (ПГУ), сочетающей газотурбинные и паротурбинные установки (ГТУ и ПТУ). Высокотемпературные дымовые газы от технологических установок и БТУ поступают в паровой КУ, пар на выходе из которого служит рабочим телом ПТУ.

Блочная структура данной схемы позволяет легко адаптировать ее к любой конкретной технологической топологии объекта. Например, для интеграции с НПЗ схема может быть дополнена блоком газификации мазутов, битумов, гудронов [10], что позволит использовать в БТУ в качестве топлива газы газификации, а также приведет к значительному увеличению выработки тепловой энергии. Внедрение подобных установок на ПП УВС позволит эффективно использовать эксергию производственных нефтесодержащих стоков, сократить вредное воздействие производства на окружающую среду, за счет термической утилизации отходов, снизить потребление ТЭР от сторонних источников, замещая их энергоресурсами собственной выработки.

IV. Результаты численных экспериментов Подбор оптимального состава основного и вспомогательного оборудования для собственных источников энергообеспечения ПП УВС зависит от химического состава перерабатываемого сырья, структуры и этапа его жизненного цикла объекта, и выполняется на основании разработанных теоретических подходов [6]. В ходе проведенного анализа наиболее эффективной оказалась схема собственного источника энергообеспечения на базе ПГУ-ТЭЦ со следующим составом оборудования: две турбины SGT-400 (Cyclone) Alstome; два котла КУ-18; одна турбина Р-1,5-2,6/0,6. Основные показатели эффективности инвестиционного проекта приведенного аппаратного оформления, в структуре ЭК:

Мощность:

- электрическая, МВт 26,3

- тепловая, МВт 36,5 Технико-экономические показатели:

Индекс доходности 2,23

Интегральный эффект, млн. долларов (за 10 лет) 46,5

Срок окупаемости, лет 5,2

Приведенные данные свидетельствуют о целесообразности внедрения в структуру ЭК ПП УВС собственных источников энергообеспечения на базе ПГУ-ТЭЦ с утилизацией промышленных отходов в БТУ.

V. Выводы и заключение

1. На основании проведенного анализ топливной системы ПП УВС установлены ее взаимосвязи со всеми подсистемами ЭК, ТС и внешними системами обеспечения ТЭР. Определена и проанализирована структура потребления всех видов топлива на предприятии. Рассчитана доля собственного топлива (нефтезаводских газов, жидкого топлива, кокса) в общем энергопотреблении. Проанализирован состав топлива, потребляемого на основных технологических производствах ПП УВС.

2. На основании проведенного термодинамического анализа эффективности топливной системы ПП УВС определено абсолютное и удельное потребление эксергии топлива основными производствами предприятия. Определены основные направления и пути реализации потенциала повышения эффективности ТС. Предложена блочная схема собственного источника энергообеспечения, позволяющего вырабатывать тепловую и электрическую энергию и эффективно использовать эксергию производственных отходов - нефтесодержащих стоков и низкопотенциальных горючих газов.

3. Выбран оптимальный состав основного оборудования собственного источника энергообеспечения ПП УВС. Расчет интегральных показателей эффективности инвестиционных проектов, позволяет сделать вывод об экономической целесообразности внедрения собственного источника комбинированной выработки тепловой и электрической энергии, с блоком термической утилизации отходов, интегральный эффект составит 46,5 млн. долларов (за десять лет), срок окупаемости при этом не более 5,5 лет.

Источник финансирования. Благодарности

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект №17-79-10134).

Список литературы

1. Промышленное производство в России. М. : Стат. сб. Росстат, 2016. 347 с.

2. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: федеральный закон от 23.11. 2009 г., № 261-Ф3.

3. Энергосбережением и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года: государственная программа Российской Федерации от 27.12. 2010 г., № 2446-р.

4. Levinbuk M. I., Netesanov S. D., Lebedev A. A., Borodacheva A. V., Sizova E. V. Strategic priorities of the Russian oil and gas complex. Petroleum Chemistry. 2007. Т. 47, № 4. С. 230-244.

5. Gossen L. P., Velichkina L. M. Environmental problems of sustainable management of oil and gas resources and production of high-quality petroleum products // Petroleum Chemistry. 2012. Т. 52, № 2. С. 154-15S.

6. Kulbjakina A. V., Dolotowsky I. V. Methodological aspects of fuel performance system analysis at raw hydrocarbon processing plants // Journal of Physics: Conference Series. 2017.Vol. 944. DOI: 10.10SS/1742-6596/944/1/01206S.

7. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. M.: Энергия, 1968. 280 с.

8. Бродянский В. M., Верхивкер Г. П., Карчев Я. Я. [и др.]. Эксергетические расчеты технических систем. Киев : Наук. думка, 1991. 360 с.

9. Андрющенко А. И. Техническая работоспособность термодинамических систем. Саратов: Саратовский автомобильно-дорожный ин-т, 1956.

10. Mrakin A. N., Selivanov A. A., Batrakov P. A., Sotnikov D. G. The chemical energy unit partial oxidation reactor operation simulation modeling // Journal of Physics: Conference Series. 201S. Vol. 944. Doi :10.10SS/1742-6596/944/1/0120S2.

УДК 620.9

МОДЕЛИРОВАНИЕ МАССОГАБАРИТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНТАКТНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

WEIGHT AND SIZE CHARACTERISTICS MODELLING OF THE POWER PLANTS CONTACT

CONDENSERS

А. Н. Мракин1, Д. Г. Сотников1, М. А. Агеев1, A. A. Селиванов1, П. А. Батраков2, И. А. Вдовенко1

'Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., г. Саратов, Россия 2Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

А. N. Mrakin1, D. G. Sotnikov1, M. А. Аgeev1, A. A. Selivanov1, P. А. Batrakov2, I. А. Vdovenko1

'Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia 2Omsk State Technical University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье представлены основные положения по расчету смесительных безнасадочных форсуночных конденсаторов. Предложена блок-схема конструкторского расчета аппаратов подобного типа. Установлена хорошая сходимость по гидромеханике движения капель с результатами работ других авторов. Результаты расчета для условий работы контактного конденсатора в составе энергохимической установки с парциальным окислением углеводородного сырья показали, что влияние массообмена на теплообмен довольно существенно (критерий Гухмана составляет 0,0076), что сказывается на высокой интенсивности процесса (коэффициент теплоотдачи ~179 Вт/(м2^°С)). Вместе с тем, как и ожидалось, аппарат характеризуется невысоким сопротивлением в размере ~6 Па.

Ключевые слова: газификация, теплообмен, котел-утилизатор, конденсатор, алгоритм.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-150-155

I. Введение

В состав современных теплоэнергетических комплексов входят газотурбинные установки с подачей пара в камеру сгорания (схема STIG) [1, 2]. При этом впрыск пара в камеру сгорания существенно увеличивает удельную мощность турбины за счет увеличения рабочего тела; замена воздушного охлаждения лопаток и стенок

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.